基于CMOS圖像傳感器的智能攝像頭設(shè)計

摘要：當(dāng)前，老齡化的人口問題、老年人的監(jiān)護問題等日益成為社會的課題。鑒于中國獨特的養(yǎng)老習(xí)慣——以依賴家庭和養(yǎng)老機構(gòu)的養(yǎng)老模式為主，老年人往往難以應(yīng)對突發(fā)的棘手問題?，F(xiàn)在的視頻監(jiān)控系統(tǒng)大多由人實時監(jiān)控。不間斷的監(jiān)控方式涉及老人不易接受的個人隱私問題。為提高老年人的生活質(zhì)量，文章設(shè)計一種基于視頻的老年人智能安全監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在運作期間通過構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)異常模式庫，實現(xiàn)對這些異常模式的精準(zhǔn)識別。這一舉措旨在加速老年人安全監(jiān)測技術(shù)的研發(fā)進程，拓寬其在實際應(yīng)用中的推廣范圍。

關(guān)鍵詞：CMOS；圖像傳感器；智能攝像頭

中圖分類號：TP302 "文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

在社會穩(wěn)定和城市安全備受關(guān)注的當(dāng)下，監(jiān)控攝像頭技術(shù)作為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，正發(fā)揮著不可或缺的作用?；诶夏耆酥悄馨踩O(jiān)護系統(tǒng)，在充分尊重老人隱私的前提下，實現(xiàn)了對獨居老人全天候、無縫隙的安全監(jiān)護，為養(yǎng)老社會服務(wù)體系的完善與發(fā)展注入了強勁動力，顯著提升了該體系的水平。伴隨著老齡化社會的深入發(fā)展，市場對老年人智能安全監(jiān)護系統(tǒng)的需求將持續(xù)增長。該項目不僅能夠有效降低老年人意外風(fēng)險，還促進了養(yǎng)老服務(wù)的精細(xì)化、個性化發(fā)展，是應(yīng)對當(dāng)前及未來社會養(yǎng)老挑戰(zhàn)的重要技術(shù)手段。

1 總體設(shè)計框圖

整個系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。視頻顯示模塊中的視頻通過Wi-Fi模式送入CMOS圖像傳感器。同時，圖像采集模塊和存儲模塊的數(shù)據(jù)也輸送給CMOS圖像傳感器。CMOS圖像傳感器分析數(shù)據(jù)并輸送給移動終端，或者進行動作捕捉，或者進入視頻收集模塊。

1.1 視頻處理模塊

視頻處理模塊采用的是STM32F103C4作為處理器［1］。STM32F103C4引腳如圖2所示，是一款基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的低功耗、高性能微控制器，專為嵌入式應(yīng)用開發(fā)設(shè)計。該模塊核心特性包括高性能與低功耗、大容量存儲、增強的I/O和外設(shè)連接、高精度模擬轉(zhuǎn)換、豐富的定時器資源、通信接口。

該模塊視頻顯示中的數(shù)據(jù)傳送至STM32F103C4處理器，進行數(shù)據(jù)處理［2］。該處理器具備記憶功能，能夠調(diào)節(jié)睡眠、待機和停止3種狀態(tài)。同時，借助RTC（實時時鐘）和備份寄存器的VBAT電源供應(yīng)，可以實現(xiàn)攝像頭在線模式與離線模式之間的切換。

1.2 CMOS圖像傳感器

互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器（Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor，CMOS）是一種利用CMOS技術(shù)實現(xiàn)的圖像捕捉設(shè)備，如圖3所示。

CMOS圖像傳感器主要由4個關(guān)鍵組件構(gòu)成：（1）感光二極管（Photodiode）負(fù)責(zé)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。（2）浮動式擴散層（Floating Diffusion Layer）用于存儲產(chǎn)生信號電荷。（3）傳輸電極門（Transfer Gate）控制信號電荷從感光二極管傳輸?shù)礁邮綌U散層。（4）MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）負(fù)責(zé)放大電荷信號并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號。

通過這些組件的協(xié)同工作，CMOS圖像傳感器實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換、電荷電壓轉(zhuǎn)換、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，從而完成了從光信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。

CMOS圖像傳感器的技術(shù)特點與指標(biāo)表現(xiàn)為以下方面：（1）分辨率（Resolution）是CMOS圖像傳感器性能的指標(biāo)之一。（2）光學(xué)尺寸（Optical Format）決定了成像系統(tǒng)的尺寸和感光性能。（3）像素尺寸

（Pixel Size）表示每個像素的實際物理尺寸。（4）輸出格式（Output Format）即輸出的原始圖像格式是RAW，也可以轉(zhuǎn)換為RGB等格式。

1.3 存儲模塊

云存儲平臺整體架構(gòu)可分為4個層次：數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)管理層、數(shù)據(jù)服務(wù)層以及用戶訪問層。存儲模塊是計算機系統(tǒng)中用于存儲數(shù)據(jù)的硬件設(shè)備，其性能直接影響到系統(tǒng)的整體性能［3］。存儲模塊通常由存儲介質(zhì)、存儲控制器、存儲接口、存儲管理軟件以及外殼等部分組成。其中，存儲介質(zhì)是核心組成部分，包括硬盤、SSD（固態(tài)硬盤）、內(nèi)存等，不同的存儲介質(zhì)具有不同的讀寫速度、容量和可靠性。

存儲模塊在現(xiàn)代計算系統(tǒng)中主要運用于以下2個方面：（1）在大型數(shù)據(jù)中心中，存儲模塊承載著海量的數(shù)據(jù)，其性能直接影響到數(shù)據(jù)處理的效率和速度。（2）在智能手機、平板電腦等移動設(shè)備中，存儲模塊同樣扮演著重要的角色。移動設(shè)備對存儲功能的要求較高，因此存儲模塊須要具備更高的集成度和更低的功耗。

存儲產(chǎn)品主要分為2類。半導(dǎo)體存儲器按照信息保存的角度，可以分為RAM（隨機存儲器）和ROM（只讀存儲器）。RAM是易失性存儲，代表性產(chǎn)品有DRAM和SRAM，通常用于電腦內(nèi)存等；ROM是非易失性存儲，數(shù)據(jù)在內(nèi)存單元中以電荷形式存儲，常用于BIOS等；光存儲器利用介質(zhì)的光學(xué)特性讀出數(shù)據(jù)，如CD-ROM、DVD-ROM等。光存儲器便于攜帶，成本低廉，適用于電子出版物的發(fā)行。

1.4 圖像采集模塊

自動對焦和曝光：智能攝像頭可以自動調(diào)整對焦和曝光參數(shù)，以獲得最佳的圖像質(zhì)量。人臉識別：智能攝像頭可以識別人臉，根據(jù)識別結(jié)果進行相應(yīng)的操作。物體跟蹤：智能攝像頭可以跟蹤物體，根據(jù)物體的運動路徑和速度調(diào)整拍攝角度和焦距。情景識別：智能攝像頭可以識別不同的場景。對象識別：視覺識別算法可以識別圖像中的對象。特征提取：視覺識別算法可以從圖像中提取特征。圖像分類：視覺識別算法可以將圖像分為不同的類別。目標(biāo)檢測：視覺識別算法可以在圖像中檢測特定的目標(biāo)。

1.5 移動終端模塊

移動終端指能執(zhí)行與無線接口上的傳輸有關(guān)的所有功能的終端裝置。移動終端的工作原理包括硬件和軟件2個方面。軟件系統(tǒng)包括處理器和內(nèi)存等關(guān)鍵部件，而軟件系統(tǒng)包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序2個部分。通過硬件和軟件協(xié)同工作，移動終端可以實現(xiàn)用戶與終端的交互和各種程序的執(zhí)行。

1.5.1 硬件體系模塊

本模塊分為4個部分：（1）處理器是移動終端的核心處理單元，負(fù)責(zé)執(zhí)行程序指令、處理數(shù)據(jù)等任務(wù)。（2）內(nèi)存是移動終端的記憶系統(tǒng)，承擔(dān)著臨時存儲和數(shù)據(jù)交換的重要任務(wù)。（3）輸入部件包括鍵盤、觸摸屏、攝像頭、麥克風(fēng)等，用于接收用戶的輸入指令和數(shù)據(jù)。（4）輸出部件包括顯示屏、揚聲器等，用于向用戶展示處理結(jié)果和輸出音頻信息。

1.5.2 軟件體系模塊

本模塊分為2個部分：第一部分，操作系統(tǒng)如Android、iOS、Windows Mobile等，是移動終端的核心軟件平臺，負(fù)責(zé)管理硬件資源、提供用戶界面、支持應(yīng)用程序運行等。第二部分，應(yīng)用程序包括通信簿、日程表、記事本、計算器、游戲等。

1.6 動作捕捉模塊

動作捕捉系統(tǒng)有機械鏈接、磁傳感器、光傳感器、聲傳感器和慣性傳感器等多種系統(tǒng)方法［4］。不論何種技術(shù)，都無法捕捉到完整的用戶動作。每一種技術(shù)的使用都有一定的局限性。

光學(xué)傳感器在實時位置追蹤、動作識別及方位判定方面展現(xiàn)出卓越的性能，其工作原理基于光學(xué)感知技術(shù)，通過感光設(shè)備、光源以及控制器三大核心組件協(xié)同工作，實現(xiàn)對目標(biāo)的精準(zhǔn)監(jiān)測，如圖4所示。

1.7 視頻收集模塊

視頻收集模塊如圖5所示，整個視頻收集技術(shù)的實現(xiàn)主要涵蓋3個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，分別為視頻提取、視頻處理以及視頻信息加密。

1.7.1 視頻提取

視頻提取主要采用連接與配置：將攝像頭與電腦或其他監(jiān)控設(shè)備通過有線或無線方式正確連接，安裝并配置相應(yīng)的攝像頭驅(qū)動程序，確保攝像頭能夠正常工作；影像提?。捍蜷_攝像頭后，系統(tǒng)開始從攝像頭的實時影像中自動或按需提取靜態(tài)影像或連續(xù)視頻流。

1.7.2 視頻處理

視頻處理采用方式為圖像矯正：包括去除視頻邊緣的黑邊，校正因攝像頭安裝角度不當(dāng)導(dǎo)致的畫面傾斜以及消除畫面中的線條、黑斑等干擾元素；增強與優(yōu)化方面則采用圖像增強技術(shù)，進一步提升視頻質(zhì)量。

1.7.3 視頻信息加密

視頻加密的必要性：在不安全的環(huán)境中傳輸視頻信息時，為了防止信息被非法竊取或惡意篡改，必須對視頻信息進行加密處理。加密方式為添加水印。圖像置亂加密一般指將視頻圖像中的像素或特征進行置亂重排，使得加密后的視頻內(nèi)容在視覺上變得雜亂無章，難以被直接識別。

2 社會效益分析

2019 年11月，由中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《國家積極應(yīng)對人口老齡化中長期規(guī)劃》文件提到“人口老齡化是社會發(fā)展的重要趨勢，也是今后較長一段時期我國的基本國情”，在安徽省2020年的數(shù)據(jù)分析下，安徽省人口老齡化位列全國第9，老齡化群體的健康問題引起了社會的極大重視［5］。高血壓、糖尿病、腦梗、冠心病等疾病在居家老齡化群體中的患病比例逐年增加，這些病情大多會給老年人的生活帶來不便。

為了降低老年人發(fā)生意外的風(fēng)險，該項目通過攝像頭監(jiān)測老齡化群體的行為動作，判斷老齡化群體是 "否有身體不適、舊病復(fù)發(fā)與摔倒等緊急情況，及時推送給親屬并根據(jù)具體情況判斷是否需要自動報警。

3 結(jié)語

考慮到地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平［6］，該研究須要控制成本并考慮用戶隱私問題。該系統(tǒng)可以完成危機報警、人臉識別以及人物動作捕捉功能，結(jié)合第三方健康設(shè)備數(shù)據(jù)進行整體大數(shù)據(jù)分析。在理論層面，人們可以將攝像頭下的人體動作捕捉分析系統(tǒng)與第三方健康檢測設(shè)備相連接，從而實現(xiàn)對居家老人的健康進行實時監(jiān)測；同時，一些老年人健康監(jiān)測與慢性病預(yù)測軟件能夠為該項目的研究提供大量的有效數(shù)據(jù)，為居家老人的健康提供保障。

參考文獻

［1］張?zhí)鞝N.基于STM32芯片和OpenMV攝像頭的自動系統(tǒng)設(shè)計［J］.信息記錄材料，2024（5）：82-84，87.

［2］陳曉波.視頻顯示系統(tǒng)工程技術(shù)的研究進展［J］.電視技術(shù)，2024（4）：123-125.

［3］楊長清.云存儲技術(shù)及其應(yīng)用［J］.智能城市，2020（21）：78-79.

［4］王珂，譚昕.基于動作捕捉系統(tǒng)對下肢外骨骼運動分析及步態(tài)仿真［J］.機械工程師，2024（6）：67-70，75.

［5］董文博.人口老齡化背景下我國城鎮(zhèn)居家養(yǎng)老的社會支持問題研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2011.

［6］肖鐵橋，肖佳潔，楊婷，等.深度老齡化省份人口老齡化城鄉(xiāng)倒置時空演變及預(yù)測趨勢［J］.攀枝花學(xué)院學(xué)報，2024（5）：1-11.

（編輯 王永超）

Design of intelligent camera based on CMOS image sensor

LI" Sitong， MA" Qingchen， SHI" Feiyan， ZHOU" Suyi， XIA" Baihua*

（Department of Engineering， Anhui Sanlian University， Hefei 230601， China）

Abstract： At present， the problem of an aging population and the guardianship of the elderly are becoming increasingly social issues. Given China’s unique pension habits， which are mainly based on the pension model of relying on families and institutions， it is often difficult for the elderly to cope with sudden and difficult problems. Today’s video surveillance systems are mostly monitored by people in real time. The uninterrupted monitoring method involves personal privacy issues that are not easily accepted by the elderly. In order to improve the quality of life of the elderly， this paper designs a video-based intelligent safety monitoring system for the elderly. During the operation of the system， the system can accurately identify these abnormal patterns by building a library of abnormal patterns of key technologies. This initiative aims to accelerate the research and development process of safety monitoring technology for the elderly and broaden the scope of its practical application.

Key words： CMOS; image sensor; intelligent camera